Nowe i wytrzymałe rozwiązania antyrefleksyjne dla fuzji laserowej w celu zapewnienia czystej energii na przyszłość

Za pomocą urządzeń o wysokiej rozdzielczości można wykryć drobne uszkodzenia powierzchni. © Fraunhofer IMWS / With high-resolution equipment, small surface defects can be detected. © Fraunhofer IMWS

Przykładowa częściowo antyrefleksyjna komponenta optyczna. © Fraunhofer IOF / An example of a partially anti-reflective optical component. © Fraunhofer IOF

Skanowanie elektronowe nanostruktury. © Fraunhofer IOF / Skaningowe zdjęcie nanostruktury. © Fraunhofer IOF

Aby przyszłe elektrownie fuzyjne laserowe mogły działać wydajnie i niezawodnie, konieczne jest dostosowanie obecnych technologii laserowych do ekstremalnych wymagań wysokich mocy i pracy ciągłej. W nowym projekcie badawczym »nanoAR« dziewięć partnerów z przemysłu i nauki pracuje nad metodami strukturalnego odblaskowania i redukcji powierzchniowych uszkodzeń komponentów optycznych. Ich podejścia mogą być również zastosowane w innych obszarach zastosowań wysokowydajnych optyk.

W fuzji laserowej trójwymiarowej używa się precyzyjnych i wysokowydajnych wiązek laserowych do kompresji i podgrzewania kapsułek paliwowych. W kapsułkach temperatura i ciśnienie rosną tak gwałtownie, że jądra atomowe ulegają fuzji, uwalniając dużą ilość energii. »Jeśli uzyskana ilość energii jest większa od zużytej, fuzja laserowa trójwymiarowa może stać się cennym źródłem czystej energii w przyszłości. Aby to było możliwe, konieczne jest dalsze rozwijanie technologii laserowych, aby sprostać ekstremalnym wyzwaniom«, mówi Dr.-Ing. Christian Rieck z firmy Glatt Ingenieurtechnik GmbH w Weimarze. Koordynuje on projekt konsorcjum, który trwa do 2027 roku i jest finansowany w ramach programu »Podstawowe technologie dla fuzji – na drodze do elektrowni fuzyjnej« przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań (BMBF) z kwotą sześciu milionów euro.

Nowatorskie warstwy i struktury odblaskowe mają optymalizować prowadzenie wiązek laserowych

Wiązki laserowe muszą być ustawione z ekstremalną precyzją, aby równomiernie trafić w kapsułkę paliwową i zapewnić symetryczną kompresję. Ich droga jest kierowana przez różne materiały i atmosfery, które działają jak soczewki. Powoduje to straty optyczne, które są tym większe, im więcej soczewek się używa. Również podczas trafienia wiązki laserowej w kapsułkę paliwową dochodzi do utraty energii, ponieważ materiał kapsułki odbija część energii. Co więcej, wysoka energia lasera powoduje termiczne rozszerzanie się materiału, które w zależności od właściwości materiału może być różnie silne i prowadzić do pęknięć lub innych uszkodzeń, co negatywnie wpływa na precyzję i trwałość urządzeń.

Dlatego partnerzy projektu skupiają się na warstwach odblaskowych, które mają na celu redukcję strat refleksyjnych. Na przykład: podczas trafienia lasera w kwarcowe szkło straty refleksyjne wynoszą około 4 procent na granicznej powierzchni. Jeśli wiązka jest kierowana 50 razy przez soczewkę z kwarcu, to tylko 1,7 procent początkowej mocy przechodzi przez ostatnią graniczną powierzchnię. Dlatego już dziś soczewki są pokrywane ekstremalnie cienkimi, wielowarstwowymi warstwami antyrefleksyjnymi, które skutecznie redukują straty.

»Dla zastosowań w przyszłych reaktorach fuzyjnych petawattowych te rozwiązania wydają się jednak nieodpowiednie. Ze względu na znacznie wyższą moc lasera rośnie obciążenie termiczne: jeśli podłoże i warstwy antyrefleksyjne będą się różnie rozszerzać, mogą pojawić się defekty«, mówi Dr Nadja Felde z działu »Funkcjonalne powierzchnie i warstwy« w Instytucie Fraunhofera dla Optyki Stosowanej i Mikrotechnologii IOF w Jenie. Dodatkowo, trudne do wykrycia uszkodzenia powierzchniowe (Subsurface Damage, SSD), które powstają na przykład podczas procesu produkcji i mają mniejszy wpływ przy niższych mocach laserów, mogą stać się krytyczne w zastosowaniach fuzyjnych – szczególnie przy pracy ciągłej z częstotliwością około 10 Hz.

Połączenie warstw antyrefleksyjnych i nanostrukturalnych materiałów

Aby opracować trwałe rozwiązania, partnerzy projektu stosują po jednej stronie nanostrukturalne lub porowate warstwy odblaskowe oparte na materiałach o dużej szerokości pasma zakazowego, co ma zapewnić odporność na laserowe promieniowanie. Z drugiej strony, testują podejście subtrakcyjne: zamiast korzystać z kombinacji podłoża i kilku warstw materiałowych, które mają odblaskowość, stosują soczewki z jednego materiału, którego powierzchnię odpowiednio nanostrukturalizując, uzyskują pożądane właściwości antyrefleksyjne. Na przykład, na podstawie dwóch materiałów o dużej szerokości pasma (kwarcowe szkło i fluorowodorek wapnia) mają powstać demonstratory z dużymi powierzchniami dla różnych długości fal i impulsów.

»Chcemy udowodnić, że podejście z warstwami strukturalnego odblasku można zoptymalizować specjalnie dla zastosowań laserów o najwyższej mocy, takich jak fuzja laserowa trójwymiarowa, i osiągnąć jak najlepsze efekty odblaskowe poniżej 0,5 procenta resztkowej refleksji. Technologia ta oferuje również inne możliwości zastosowania w wysokowydajnych optykach«, mówi Prof. Dr. Thomas Höche, kierownik działu »Materiały i technologie optyczne« w Instytucie Fraunhofera dla Mikrostruktur Materiałów i Systemów w Halle (Saale).

Partnerzy z przemysłu i nauki w projekcie »nanoAR«

Partnerzy projektu »nanoAR« łączą swoje doświadczenie w zakresie procesów produkcyjnych i obróbki w celu skutecznej redukcji SSD poprzez otwarte technologicznie rozwijanie procesów nanostrukturalizacji, także z wykorzystaniem symulacji i modelowania, aż po wysokorozdzielczą charakteryzację materiałów i opracowanie nowych metod zapewniania jakości.

W projekcie »antyrefleksyjne meta powierzchnie na materiałach o dużej szerokości pasma (nanoAR)« biorą udział firmy Glatt Ingenieurtechnik GmbH (Weimar), POG Präzisionsoptik Gera GmbH (Löbichau), FLP Microfinishing GmbH (Zörbig), Trionplas Technologies GmbH (Leipzig), Fraunhofer IOF (Jena), Fraunhofer IMWS (Halle/Saale), Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM (Freiburg), Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung IOM (Leipzig) oraz Hochschule Ernst-Abbe (Jena).